激光傳感器原理及其應(yīng)用

激光技術(shù)和激光器是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)之一。激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，在生產(chǎn)生活領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用。

1、引言 
激光技術(shù)和激光器是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)之一。激光技術(shù)與應(yīng)用的迅猛發(fā)展，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合，形成新興的交叉學(xué)科，如光電子學(xué)、信息光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、超快激光學(xué)、量子光學(xué)、光纖光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、激光生物學(xué)、激光化學(xué)等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得激光器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到幾乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域。本文主要介紹激光傳感器的原理以及其主要應(yīng)用領(lǐng)域。[1]
2、激光傳感器原理
激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。
激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量激發(fā)而躍遷到高能級(jí)E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數(shù)，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí)E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布),就能使受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光。激光具有3 個(gè)重要特性。[1]
    2.1 高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。?，激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米。
    2.2 高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。
2.3 高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬(wàn)度的溫度。
3、兩種激光傳感器主要原理和應(yīng)用
利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。總之，激光傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛了，下面介紹兩種激光傳感器主要原理和應(yīng)用。
3.1 激光位移傳感器
激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光位移傳感器(磁致伸縮位移傳感器)就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測(cè)量?jī)x表，它的出現(xiàn)，使位移測(cè)量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測(cè)量提供了有效的測(cè)量方法。
3.1.1 激光位移傳感器的兩種測(cè)量原理
（一）激光三角法測(cè)量原理

圖1 激光三角法測(cè)量原理圖

 半導(dǎo)體激光器1被鏡片2聚焦到被測(cè)物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上；信號(hào)處理器5通過三角函數(shù)計(jì)算陣列4上的光點(diǎn)位置得到距物體的距離。
 激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度即知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物之間的距離。
    同時(shí)，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關(guān)量輸出可設(shè)置獨(dú)立檢測(cè)窗口。[2]
（二）激光回波分析法測(cè)量原理
激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測(cè)量距離可以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回接收器所需時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。[2]

圖2 激光回波分析法測(cè)量原理圖

3.1.2 激光位移傳感器的應(yīng)用
 （1）、尺寸測(cè)定：微小零件的位置識(shí)別;傳送帶上有無(wú)零件的監(jiān)測(cè);材料重疊和覆蓋的探測(cè);機(jī)械手位置(工具中心位置)的控制;器件狀態(tài)檢測(cè);器件位置的探測(cè)(通過小孔);液位的監(jiān)測(cè);厚度的測(cè)量;振動(dòng)分析;碰撞試驗(yàn)測(cè)量;汽車相關(guān)試驗(yàn)等。
 （2）、金屬薄片和薄板的厚度測(cè)量：激光傳感器測(cè)量金屬薄片(薄板)的厚度。厚度的變化檢出可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋，小洞或者重疊，以避免機(jī)器發(fā)生故障。
 （3）、氣缸筒的測(cè)量，同時(shí)測(cè)量：角度，長(zhǎng)度，內(nèi)、外直徑偏心度，圓錐度，同心度以及表面輪廓。
 （4）、長(zhǎng)度的測(cè)量：將測(cè)量的組件放在指定位置的輸送帶上，激光傳感器檢測(cè)到該組件并與觸發(fā)的激光掃描儀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，最后得到組件的長(zhǎng)度。
 （5）、均勻度的檢查：在要測(cè)量的工件運(yùn)動(dòng)的傾斜方向一行放幾個(gè)激光傳感器，直接通過一個(gè)傳感器進(jìn)行度量值的輸出，另外也可以用一個(gè)軟件計(jì)算出度量值，并根據(jù)信號(hào)或數(shù)據(jù)讀出結(jié)果。
 （6）、電子元件的檢查：用兩個(gè)激光掃描儀，將被測(cè)元件擺放在兩者之間，最后通過傳感器讀出數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)出該元件尺寸的精確度及完整性。
（7）、生產(chǎn)線上灌裝級(jí)別的檢查：激光傳感器集成到灌裝產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，當(dāng)灌裝產(chǎn)品經(jīng)過傳感器時(shí)，就可以檢測(cè)到是否填充滿。傳感器用激光束反射表面的擴(kuò)展程序就能精確的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是否合格以及產(chǎn)品的數(shù)量。
3.2 激光測(cè)距傳感器
激光測(cè)距傳感器的原理與無(wú)線雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速既得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接受系統(tǒng)的性噪比、保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。
3.2.1 激光測(cè)距傳感器原理
激光測(cè)距實(shí)際上是一種主動(dòng)光學(xué)探測(cè)方法。主動(dòng)光學(xué)探測(cè)的探測(cè)機(jī)制是：由探測(cè)系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射波束（在光學(xué)探測(cè)中，一般是紅外或者可見光），波束被目標(biāo)表面放射產(chǎn)生回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)中直接或簡(jiǎn)介地包含待測(cè)信息。接收與信號(hào)處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號(hào)，獲得被測(cè)量。[3]

圖3 脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3為脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，其工作原理如下：人機(jī)操作發(fā)出測(cè)距指令，出發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小部分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)，啟動(dòng)數(shù)字式測(cè)距計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)：另一部分由折射棱鏡放射，射向目標(biāo)。一般發(fā)射前端有望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，為的是減少出射光束的發(fā)散角，以提高光能面密度，增大工作距離，還可以減少背景和周圍非目標(biāo)標(biāo)物的干擾。到達(dá)目標(biāo)的激光束有一部分被表面漫反射回到測(cè)距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達(dá)探測(cè)器APD，窄帶光學(xué)濾波器的主要作用是充分利用激光優(yōu)良的單色性，提高系統(tǒng)的信噪比；光探測(cè)器APD將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、濾波整形。整形后的回波信號(hào)關(guān)閉時(shí)間間隔處理模塊，使其停止計(jì)時(shí)。這樣，根據(jù)時(shí)間間隔處理的結(jié)果t即可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的距離L為：
          （1）
式（1）中，c為光速。圖3中，濾光片和光圈可以減少背景及雜閃光的影響，降低探測(cè)器輸出信號(hào)中的背景噪聲。根據(jù)式（1），脈沖測(cè)距精度,可以表示為：
       （2）
由式（2）可知，系統(tǒng)處理的時(shí)間間隔精度直接決定了脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度。[3]
3.2.2 激光測(cè)距傳感器的應(yīng)用
（1） 汽車防撞探測(cè)器
一般來(lái)說，大多數(shù)現(xiàn)有汽車碰撞預(yù)防系統(tǒng)的激光測(cè)距傳感器使用激光光束以不接觸方式用于識(shí)別汽車在前或者在后形勢(shì)的目標(biāo)汽車之間的距離，當(dāng)汽車間距小于預(yù)定安全距離時(shí)，汽車防碰撞系統(tǒng)對(duì)汽車進(jìn)行緊急剎車，或者對(duì)司機(jī)發(fā)出報(bào)警，或者綜合目標(biāo)汽車速度、車距、汽車制動(dòng)距離、響應(yīng)時(shí)間等對(duì)汽車行駛進(jìn)行即時(shí)的判斷和響應(yīng)，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。
（2）車流量監(jiān)控

圖4 車流量監(jiān)控示意圖

如圖4所示，這種使用方式一般固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對(duì)準(zhǔn)一條車道的中間位置，當(dāng)有車輛通行時(shí)，激光測(cè)距傳感器能實(shí)時(shí)輸出所測(cè)得的距離值的相對(duì)改變值，進(jìn)而描繪出所測(cè)車的輪廓。這種測(cè)量方式一般使用測(cè)距范圍小于30米即可，且要求激光測(cè)距速率比較高，一般要求能達(dá)到100赫茲就可以了。這對(duì)于在重要路段監(jiān)控可以達(dá)到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對(duì)車身高度掃描的采樣率可以達(dá)到10厘米一個(gè)點(diǎn)（在40Km/h時(shí)，采樣率為11厘米一個(gè)點(diǎn)）。對(duì)車流限高，限長(zhǎng)，車輛分型等都能實(shí)時(shí)分辨，并能快速輸出結(jié)果。
4、激光傳感器的獨(dú)特性
激光傳感器可用于其它技術(shù)無(wú)法應(yīng)用的場(chǎng)合。例如，當(dāng)目標(biāo)很近時(shí)，計(jì)算來(lái)自目標(biāo)反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測(cè)任務(wù)。但是，當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)內(nèi)或目標(biāo)顏色變化時(shí)，普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。
雖然先進(jìn)的背景噪聲抑制傳感器和三角測(cè)量傳感器在目標(biāo)顏色變化的情況下能較好地工作，但是，在目標(biāo)角度不固定或目標(biāo)太亮?xí)r，其性能的可預(yù)測(cè)性變差。此外，普通光電三角測(cè)量傳感器一般量程只限于0.5m 以內(nèi)。超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測(cè)距離較遠(yuǎn)的物體，而且由于它不是光學(xué)裝置，所以不受顏色變化的影響。但是，超聲波傳感器是依據(jù)聲速測(cè)量距離的，因此存在一些固有的缺點(diǎn)，不能用于以下場(chǎng)合。[4]
4.1 待測(cè)目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場(chǎng)合。
因?yàn)槌暡z測(cè)的目標(biāo)必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內(nèi)。
4.2 需要光束直徑很小的場(chǎng)合。因?yàn)橐话愠暡ㄊ陔x開傳感器2m 遠(yuǎn)時(shí)直徑為0.76cm。
4.3 需要可見光斑進(jìn)行位置校準(zhǔn)的場(chǎng)合。
4.4 多風(fēng)的場(chǎng)合。
4.5 真空?qǐng)龊稀?br/>4.6 溫度梯度較大的場(chǎng)合遙因?yàn)檫@種情況下會(huì)造成聲速的變化。
4.7 需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合
而激光傳感器能解決上述所有場(chǎng)合的檢測(cè)。
5、總結(jié)
近年來(lái)，我們激光傳感器技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，高端的技術(shù)與產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口。隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)達(dá)到成熟期，光電子技術(shù)進(jìn)入發(fā)展中期，激光傳感器技術(shù)必將呈現(xiàn)迅猛發(fā)展勢(shì)頭。
相比普通光源，激光傳感器有許多無(wú)法替代的有點(diǎn)，但同時(shí)要求技術(shù)也高。大力發(fā)展激光傳感器技術(shù)有利于國(guó)家在科技、經(jīng)濟(jì)、以及國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。